某文化中心浅层地热能利用可再生能源绿色低碳能源站

一、项目基本情况

某文化中心是集大型公益类场馆和公寓、酒店为一体的文化产业集群，总建筑面积约 30 万㎡，建设了基于浅层地热能利用的绿色低碳能源站，项目投资约 7300 万元。

项目地无集中热源管网，且地理位置在浅层地热能利用方面有较好的资源优势，本项目区域岩土层结构由中粗砂、细砂、粘性土组成，岩土换热能力较好，钻孔施工难度较小，浅层地热能利用条件较适合。为满足某文化中心全年供暖空调需求，实现长期高效运行，以浅层地热能为主作为冷热源，配置辅助冷却塔，以保证地源热泵运行过程中地源侧的累计吸、排热量平衡，建设了某文化中心可再生能源绿色低碳能源站。

二、供暖面积

某文化中心可再生能源绿色低碳能源站供冷面积22.48万㎡，供暖面积26.73万㎡，设计空调总冷负荷 19800kW，设计空调总热负荷16200kW，自 2019 年建成投入运行至今，系统运行稳定、安全、高效。

三、技术路线及工艺流程

1. 浅层地热能利用技术适宜性

地热能、太阳能及空气能具有可得性广、赋存量大的优势，但是太阳能和空气源的稳定性差、能量密度低、环境适应性弱，而大型公共建筑需求的能量密度高、总量大、活跃性强、灵活性要求高，浅层地热能具备了开发潜力大、资源量大且具备可再生、无污染、不产生碳排放、运行稳定等优点。

通过对多种能源形式对比分析，从政策、投资、运行费用、系统可靠性、技术先进性、节能环保、绿色生态等各个方面综合评价，结合当地在浅层地热能利用方面有较好的资源优势，以浅层地热能为主建设分布式能源站是最经济合理的首选方案：

（1）资源性：本项目区域岩土层结构由中粗砂、细砂、粘性土组成，岩土换热能力较好，钻孔施工难度较小，地埋管地源热泵应用条件较合适。

（2）限制性：该地区土壤含水层颗粒太细，渗入太差，回灌较困难，一般情况下回灌能力为开采能力的 30～50%。浅层地下水径流强度不大，含水层渗透系数约10m，水力坡度约 1～2‰，浅层地下水源热泵技术应用条件受限。且地下水资源关系人民基本生活，干系重大，地下水资源保护越来越受到政府重视，综合技术适宜性及政策条件等，本项目不适宜采用地下水源热泵。

（3）适宜性：本项目地温近似全年平均气温，恒温带的温度约为 13.5～15℃，是比较好的低温热源，适宜进行冬季供暖和夏季制冷。

（4）灵活性：建设范围内具备布置钻孔空间，适宜采用土壤源热泵技术。

（5）换热性：通过热响应试验测试分析，测试结果表明项目区域地源侧换热性能较好。

（6）稳定性：区域地下水含水量充足且流速高，加速地源侧取放热量的扩散能力，有利于土壤侧平衡，利于热泵长期稳定运行。

（7）周期性：土壤源热泵机组为 25 年，地埋管换热部分为 70 年，较其他空调系统和供暖设备的寿命都要长（一般家用空调的寿命为 8 年，燃气锅炉寿命为 10 年）。

2. 浅层地热能利用技术应用思路

（1）利用浅层地热能，由集中设置的能源站作为各个建筑物冷热源，采用土壤源热泵系统，满足该项目全年供暖空调需求，并配置辅助冷却塔，以保证地源热泵运行过程中地源侧的累计吸、排热量平衡，实现长期高效运行。

（2）热泵机组供回水温度满足末端建筑需求，供回水温度采用大温差设计，夏季供冷 6.5/13.5℃，冬季供暖 47/40℃。

（3）配置“四大一小”热泵机组，可以实现在部分负荷运行时或冬季防冻运行时，仍能处于高效区。

（4）由于能源站供能半径较大，阻力较大，因此供能输配侧及地源侧采用二级泵系统；供能侧及地源侧一、二级泵均采用变频控制。

（5）在部分负荷运行工况下，根据冷、热负荷控制热泵机组的开启台数；满足运行调试阶段及低负荷阶段运行需求。

（6）冷却塔冬季为关闭状态，不做使用，夏季制冷时，根据蒸发器出水温度控制地埋管换热器与冷却塔的切换。

3. 浅层地热能利用技术应用特点

（1）采用鸿业软件和 TRNSYS 软件，对设计负荷和全年动态逐时负荷进行了详细的分析计算，并综合考虑项目各建筑运行时间、使用率、使用环境参数等多扰动因素，从而降低了项目装机容量，提高了系统经济性。

（2）以全年动态负荷计算为基础，根据热响应试验结果，采用 GSLAB 软件，进行了热响应试验反算、埋管换热器设计计算、全年工况模拟计算和热平衡分析。以此为依据进行了能源系统整体配置和埋管侧设计。

（3）能源中心建设了智能自控系统，该控制系统包括：物联网监测模块、数据在线采集模块、数据存储模块、故障识别与报警模块、节能数据分析模块、集中优化控制策略模块、前馈控制模块、传感器、控制器、数据传输设备等。在各个功能模块中嵌入系统运行下各工况的工作逻辑，实现系统的无人值守控制功能。

（4）能源管控平台充分运用了现代物联网技术、人工智能技术、群控技术，结合数据挖掘技术、现代统计学分析技术、运筹优化技术等技术手段，感知、整合、分析、优化系统运行的一系列分析方法，实现了能源站空调系统的微观管理到宏观+微观管理，从局部优化到整体优化。

四、主要设备选型

1. 高效能源站地源侧某文化中心建筑的总设计冷负荷为 19800kW，总设计热负荷为 16200kW，地埋管换热器设计计算时，累计耗冷耗热量取保守值，即：累计冷负荷为 1570.6 万 kWh （内热开，取保守值），累计热负荷为 2092.2 万 kWh（内热关，取保守值）。

确定某文化中心建筑供冷供暖的地源热泵系统所需的钻孔总长度取 31.96 万 m（按制热工况），即地埋管承担项目全部热负荷（设计热负荷、累计热负荷）；地埋管承担基础冷负荷，不足冷负荷由辅助冷源承担。

本项目地埋管换热器系统采用双 U 型竖直埋管换热器，单个埋管换热器孔深取120m，换热器间距为 5m×5m，孔径Ф150mm，室外地埋管换热器共设置 2700 个钻孔。

为了实现有效的水力平衡，采用钻孔之间同程式并联连接，并联孔数根据布孔区域不同为 5～8 个，18 个小区分别设置一个分集水小室，每个大区采用枝状管网连接各个小区的分集水小室后，进入能源站。其中，有部分小室可利用已有设计的景观构筑物，直接将分集水器设置于构筑物当中，降低土建施工费用，布置在二期筏板下的地埋管换热器同程连接后，分集水器设置在文化中心高地建筑中间连接狭缝中。

2. 高效能源站系统配置

（1）热泵机组能源站机房设置 4 台离心式地源热泵机组，单台制冷量 4600kW，单台制热量4500kW；1 台螺杆式地源热泵机组，单台制冷量 1614kW，单台制热量 1689kW。

（2）输配系统供能侧及地源侧均采用二级泵系统。为便捷调节，可实现不同地埋管区域的部分负荷下切换使用，每个大区对应 1 台地源侧二级泵。本项目中各末端建筑设计水温一致，因此供能二级泵集中设置；为考虑冬夏负荷需求的不同，供能侧及地源侧一、二级泵均采用变频控制。

3. 高效能源站材料设备选择

（1）地埋管材料

地埋管材料好坏关乎地埋管系统寿命周期和运行可靠性，选用了国内一线品牌为专用管件。

（2）主要设备

地源热泵系统的主机作为整个地源热泵系统输出冷热量的核心，由于设备本身价值较高，并且一般主机房安装空间都有限，一般不设置备用主机，因此主机的质量及能否长期稳定安全运行是保证系统长期稳定运行的首要关键点。本项目的主机选择了技术成熟、生产工艺先进、维修更换简单、有长期运行项目支撑的设备供应商。

水泵作为以水为冷热量载体的空调系统输送部件，由于连续使用特性，一旦损坏同样也能会造成系统瘫痪，并且水泵能耗约占系统能耗的 20%左右，选择能效级别高、质量过硬的水泵也是保证系统稳定运行的关键因素。本项目水泵选择了能效较高的国内一线品牌。

五、生产运行情况

某文化中心绿色低碳能源站主要能源消耗为电力。能源站自 2019 年夏季开始运行，供冷季按照每年的 6 月 1 日至 9 月 15 日，供暖季按照每年的 11 月 15 日至次年 3 月 15 日，具体运行时间根据建筑的实际用能需求进行了适度调整，全年单位供暖制冷能耗约为 25.80kWh/㎡。

六、项目经济性

自 2019 能源站运行至今，截止 2023 年系统实际运行成本约 17 元/年·㎡，较方案设计工况下的运行成本降低 41.94%。根据当地政策规定，免缴供热配套费约 1000 万元，按照当地市政供热价格和燃气价格，较“冷水机+市政集中供热” 降低单位㎡全年运行约17.8 元，每年可节省运行成本约535 万元；较“冷水机+燃气集中供热” 降低单位㎡全年运行约 24.7 元，每年可节省运行成本约 740 万元，有效降低了系统运行成本。

七、环境及社会效益

高效利用浅层地热能的土壤源热泵技术，代替传统能源，脱离对燃气的依赖，主要利用电能可以实现夏季供冷冬季供暖。某文化中心绿色低碳能源站自投入运行以来，节能减碳效果显著，每年可节约标准煤 8057t（等价值），减少二氧化碳排放量21512t，减少二氧化硫排放量 161t，减少氮氧化物排量放 302t，减少烟尘排量放 80t。公司按照“政府主导、市场运作、企业主体”的原则进行运作，坚持利用绿色生态节能减碳技术，陆续推出一系列公共建筑类优良工程，为社会发展做出新重要贡献。

项目属于社会公益性项目，项目可再生能源供能系统供应灵活，提升建筑室内舒适度，提升了可再生能源的利用效率，提升了地区人民的生活品质，为广大群众提供一个舒适、温馨的环境，具有良好广泛的社会影响，提升了公众认知，对同类型建筑起到榜样作用，有利于积极推动当地绿色建筑等政策落地，具有较强的示范意义和社会影响力，有利于全范围推动建筑领域节能减碳工作，助力中国的建筑和城市从绿色节能，走向“零达峰”和“碳中和”的未来。

八、问题和建议

可再生能源多能互补低碳能源站系统一般由地源热泵系统、太阳能光热系统、太阳能光伏系统、空气能系统、蓄能系统、高效空调节能机组、空调末端、辅助冷却塔等组成。与传统化石能源相比，有数量大、可再生、环保、就地取用等优势。系统建设时，增量投资大约为 10～20%，但在系统使用过程中，运行费用比常规减少 25～60%左右，大约 3～5 年即可实现投资回收。可再生能源的规模化、高质量发展，必然需要通过高性能优化设计、高标准建设实施、智慧赋能管控能源、暖通系统精准调适和专业化节能运维等应用高效节能技术的应用，能够有效推动城市的绿色低碳发展。